ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Некоторые свойства низкотемпературной плазмы из "Плазма в химической технологии" Низкотемпературная плазма представляет собой газообразное вещество, состоящее из электронов, ионов, атомов и молекул. Физические свойства плазмы значительно отличаются от свойств газов. Известно, что газы являются изоляторами электрического тока, не излучают свет и не испытывают влияния магнитных сил. Плазма, наоборот, обладает хорошей электрической проводимостью, ярко светится и подвержена влиянию магнитных сил. Подробное описание свойств плазмы и методов ее получения дано в источниках [5, 9, 34, 46, 58, 82, 88, 89, 93, 94, 97, 1021. [c.7] Различают нетермическую и термическую плазму. В нетермической плазме температура свободных электронов гораздо выше средней температуры газа. Нетермическая плазма образуется, например, в электрических разрядах, возникающих в условиях низкого давления. Термическая же плазма характеризуется равенством температур всех ее частиц. Получение термической плазмы с температурой до 50 000° С возможно в электрической дуге, нетермической — в высокочастотных и сверхвысокочастотных разрядах. [c.7] При термическом равновесии плазмы основную роль играют процессы обмена энергией между компонентами плазмы. [c.7] При наложении электрического поля в плазме происходит обмен энергией по следующей схеме энергия электрического поля — кинетическая энергия электронов — энергия теплового хаотического движения частиц плазмы. Движущим фактором процесса обмена энергией в плазме является некоторая разность температур между электродом и газом. [c.7] Установлению термического равновесия в плазме благоприятствуют процессы ионизации и возбуждения частиц и обратный процесс рекомбинации их. Процессы ионизации и возбуждения частиц плазмы соответственно характеризуются температурами ионизации и возбуждения. [c.8] Процесс ионизации нейтральных частиц в плазме, в основном, поддерживается двумя элементарными актами фотоионизацией под действием квантов излучения и ионизацией электронным ударом. Этим элементарным актам соответствуют фоторекомбинации с испусканием кванта излучения и рекомбинации тройным столкновением в результате перераспределения энергии между ионом и двумя электронами. [c.8] Наряду с условием локального термического равновесия (понятие локальности термического равновесия между различными частицами в элементарном объеме плазмы дуги обусловлено неравномерным распределением температуры по сечению и длине столба электрической дуги), важным и необходимым условием существования термической плазмы электрической дуги является ее квазинейтральность. Квазинейтральность плазмы означает равенство объемных концентраций положительно и отрицательно заряженных частиц плазменной среды. Ввиду квазинейтральности частицы плазмы за пределами пространства, которое они занимают, не возбуждают электрического поля. Во многих теоретических работах [89, 97] квазинейтральность плазмы электрической дуги объясняется отсутствием достаточных сил для значительного нарушения ее электрического равновесия. Так, Дж. Самервиллом подсчитано [89], что при имеющихся в плазме любой электрической дуги плотностях заряженных частиц для отклонения системы от положения квазинейтральности с получением в объеме плазмы хотя бы небольшой доли заряженных частиц одного типа требуется колоссальная напряженность электрического поля, достигающая 10 —10 в1см. [c.9] Отклонений от квазинейтральности в результате диффузии частиц и под влиянием сил собственных магнитных полей не происходит, пока скорость дрейфа электронов значительно меньше скорости света [97]. [c.9] Для термической плазмы электрической дуги применимы законы идеального газа, так как ввиду высокой температуры плотность частиц в плазме очень мала даже при высоких давлениях (порядка 1000 ат) [97]. [c.9] Наиболее полно теория электрических дуг и термической плазмы дана в монографии В. Финкельнбурга и Г. Меккера [97]. [c.9] Температура в столбе электрической дуги поддерживается от 4000 до 50 000° К в зависимости от условий процесса. Обычно в открытой электрической дуге температура составляет около 4500° К и может быть несколько увеличена за счет повышения напряжения (скорости движения электронов) или силы тока (числа электронов). При этом не удается получить плазму положительного столба электрической дуги с температурой выше 7000° К. Это объясняется следующим. Температура в электрической дуге является функцией плотности тока. С увеличением силы тока электрической дуги, плотность тока в дуге увеличивается лишь до известного предела. При дальнейшем увеличении силы тока происходит увеличение сечения дуги и объема плазмы без повышения температуры. [c.10] Значительного увеличения температуры в столбе электрической дуги можно достигнуть путем увеличения частоты столкновения частиц в плазме. Для этого можно использовать тепловые и магнитно-гидродинамические эффекты. Сущность теплового эффекта сжатия [5] электрической дуги (пинч-эффект первого рода) состоит в ограничении объема плазмы электрической дуги путем охлаждения наружных слоев плазмы. Охлаждение внешней области плазмы снижает ионизацию в этой области и ток электрического разряда стремится сконцентрироваться в более горячей центральной части электрической дуги. 5то приводит к увеличению плотности тока в стриммере электрической дуги, а следовательно, и к увеличению температуры. При дальнейшем увеличении плотности тока в электрической дуге первостепенное значение приобретает эффект магнитного сжатия столба разряда (пинч-эффект второго рода) 182]. [c.10] Приэлектродные области электрической дуги расположены между плазмой столба и электродами. Прохождение тока как у катода, так и у анода характеризуется своеобразными явлениями, отличными от процессов в столбе электрической дуги. В зависимости от характера прика-тодных явлений различают электрические дуги без катодного пятна, с неподвижным катодным пятном, а также дуги с катодным пятном, хаотически перемещающимся по поверхности катода. [c.11] На современном уровне знаний единой теории катодного падения потенциала нет. Известны три основные теории катодного падения потенциала теория термоэлектронной эмиссии, теория автоэлектронной эмиссии и ионная теория. [c.11] Многие элементарные процессы у анода электрической дуги также исследованы недостаточно. Расхождения в измерениях анодного падения потенциала различными авторами достигает 2 в. В основе расхождений лежат физические причины, которые еще не выяснены. Наиболее хорошо исследованы дуги с угольными анодами. [c.11] Теории катодного падения потенциала нельзя применить к области анодного падения потенциала, так как элементарные процессы в областях катодного и анодного падения потенциала отличаются, несмотря на то, что в обоих случаях происходит обмен электричества между термической плазмой столба и низкотемпературными электродами. Основным явлением в прикатодной области, как отмечалось выше, является образование носителей электричества, так как в области катодного падения потенциала образуется 99% электронов и ионов, определяющих ток электрической дуги. В области анодного падения потенциала образуется всего лишь 1% носителей заряда в виде электронов, движущихся к аноду, и ионов, движущихся к столбу, в то время, как 99% электронов, попадающих на поверхность анода, поступает из столба дуги. Единой теории анодного падения потенциала для всех типов дуг пока нет. В настоящее время существует две теории анодного падения потенциала теория анодного падения с ионизацией полем [94, 97] и теория анодного падения с термической ионизацией. [c.12] Зная основные свойства плазмы и принципы ее получения, а также основные закономерности электрических дуг, можно обоснованно конструировать плазмотроны с заданными электротехническими и теплотехническими параметрами. [c.12] Вернуться к основной статье